企业培训_等离子焊接高级焊工技术培训教材

张明录 高级焊工技术培训 等离子焊接 目录 一 等离子弧焊接原理二 等离子弧焊接设备三 离子弧焊接方法四 焊接工艺参数 基本要求 掌握等离子弧的产生原理及特点 了解等离子弧发生器的结构原理 掌握等离子弧焊接的几种主要的工艺形式及特点 重点 等离子弧的热源特点 等离子弧的静特性 等离子弧的焊接工艺参数的选择 一 等离子弧焊接原理 1 等离子弧的形成等离子弧是一种被压缩的钨极氩弧 具有很高的能量密度 温度及电弧力 等离子弧是通过三种压缩作用获得的 1 机械压缩 水冷铜喷嘴孔径限制弧柱截面积的自由扩大 这种拘束作用就是机械压缩 2 热压缩 喷嘴中的冷却水使喷嘴内壁附近形成一层冷气膜 进一步减小了弧柱的有效导电面积 从而进一步提高了电弧弧柱的能量密度及温度 这种依靠水冷使弧柱温度及能量密度进一步提高的作用就是热压缩 3 电磁压缩 由于以上两种压缩效应 使得电弧电流密度增大 电弧电流自身磁场产生的电磁收缩力增大 使电弧受到进一步的压缩 这就是电磁压缩 2 等离子弧的类型1 非转移型电弧非转移型电弧燃烧在钨极与喷嘴之间 焊接时电源正极接水冷铜喷嘴 负极接钨极 工件不接到焊接回路上 依靠高速喷出的等离子气将电弧带出 这种电弧适用于焊接或切割较薄的金属及非金属 2 转移型电弧转移型电弧直接燃烧在钨极与工件之间 焊接时首先引燃钨极与喷嘴间的非转移弧 然后将电弧转移到钨极与工件之间 在工作状态下 喷嘴不接到焊接回路中 这种电弧用于焊接较厚的金属 3 联合型电弧转移弧及非转移弧同时存在的电弧为联合型电弧 混合型电弧在很小的电流下就能保持稳定 特别适合于薄板及超薄板的焊接 非转移 转移 联合 3 等离子弧的特点1 电弧静特性曲线与TIG电弧明显不同 1 E大 因此上移 平直段缩小 上升段斜率增大 2 联合电弧的下降段不明显 因此 小电流电弧非常稳定 2 电弧温度高24000K 50000K 功率密度大 105 106 而TIG电弧分别为10000 24000K 3 刚直性性大 电弧集中系数大 4 弧柱热量的对工件的加热作用大 4 等离子弧焊的特点1 特点 优点 由于等离子电弧具有较高的能量密度 温度及刚直性 因此与一般电弧焊相比 等离子电弧具有下列优点 1 熔透能力强 在不开坡口 不加填充焊丝的情况下可一次焊透8 10mm厚的不锈钢板 2 焊缝质量对弧长的变化不敏感 这是由于电弧的形态接近圆柱形 且挺直度好 弧长变化对加热斑点面积的影响很小 易获得均匀的焊缝形状 3 钨极缩在水冷铜喷嘴内部 不会与工件接触 因此可避免焊缝金属产生夹钨现象 4 等离子电弧的电离度较高 电流较小时仍很稳定 可焊接微型精密零件 5 可产生稳定的小孔效应 通过小孔效应 正面施焊时可获得良好的单面焊双面成形 2 等离子弧焊的缺点 1 可焊厚度有限 一般在25mm以下 2 焊枪及控制线路较复杂 喷嘴的使用寿命很低 3 焊接参数较多 对焊接操作人员的技术水平要求较高 5 应用可用钨极氩弧焊焊接的金属 比如不锈钢 铝及铝合金 钛及钛合金 镍 铜 蒙耐尔合金等 均可用等离子弧焊焊接 这种焊接方法可用于航天 航空 核能 电子 造船及其它工业部门中 二 等离子弧焊接设备 1 设备分类 焊接电源 焊枪 控制系统 水 气路系统 1 焊枪的组成 主要由电极 电极夹头 压缩喷嘴 中间绝缘体 上枪体 下枪体及冷却套等组成 最关键的部件为喷嘴及电极 2 喷嘴分类 1 按喷嘴数量 可分为单孔型和多孔型两种 多孔型喷嘴除孔道的了中心主孔外 主孔左右还有多个小孔 从这两个小孔中喷出的等离子气对等 离子弧有一附加压缩作用 使等离子弧的截面变为椭圆形 当椭圆的长轴平行于焊接方向时 可显著提高焊接速度 减小焊接热影响区的宽度 2 按孔道的形状 可分为圆柱型 收敛 扩散型等三种 通常采用圆柱形压缩孔道 而收敛型压缩孔道有利于电弧的稳定 最重要的喷嘴形状参数为压缩孔径及压缩孔道长度 喷嘴孔径dndn决定了等离子弧的直径及能量密度 直径越小 对电弧的压缩作用越大 但太小时 等离子弧的稳定性下降 甚至导致双弧现象 烧坏喷嘴 通常应根据焊接电流大小及等离子气种类及流量来选择 喷嘴孔道长度l0在一定的压缩孔径下 l0越长 对等离子弧的压缩作用越强 但l0太大时 等离子弧不稳定 通常要求孔道比l0 dn在一定的范围之内 转移弧一般为1 0 1 2 混合电弧为2 6 锥角对等离子弧的压缩角影响不大 30 180范围内均可 但最好与电极的端部形状配合 保证将阳极斑点稳定在电极的顶端 焊接时一般为60 90 喷嘴类型 喷嘴材料一般为紫铜 直接水冷 2 电极1 材料等离子弧焊接一般采用钍钨极或铈钨极 有时也采用纯钨极或锆电极 钨极为棒状电极 钨极一般需要进行水冷 小电流时采用空气冷却方式 大电流时 采用直接水冷 钨极为镶嵌式结构 2 形状 棒状电极端头一般磨成尖锥形或尖锥平台形 电流较大时还可磨成球形 以减少烧损 3 内缩长度与同心度与TIG焊不同 等离子焊时 钨极一般内缩到压缩喷嘴之内 从喷嘴外表面至钨极尖端的距离被称为内缩长度lg 为了保证电弧稳定 不产生双弧 钨极应与喷嘴保持同心 而且钨极的内缩长度lg要合适 lg l0 0 2mm 3 送气方式 1 切向 压缩程度高 中心压力低 周边压力高 电弧稳定在中心 2 径向 压缩程度低 4 双弧正常条件下 转移型电弧在钨极与工件之间产生 在某些异常情况下 会产生一个与正常电弧并联的燃烧在钨极 喷嘴以及喷嘴 工件之间的串弧 这种现象叫双弧 1 双弧产生机理 冷器膜击穿理论 2 双弧产生的原因及防止措施 1 在电流一定的条件下 喷嘴压缩孔径太小或压缩孔道的长度过大 内缩长度过大 2 等离子气体的流量过小 3 钨极轴线与喷嘴轴线之间的偏差过大 4 金属飞溅物堵塞喷嘴 5 电源外特性不正确 三 离子弧焊接方法 1 等离子弧焊的基本方法 有三种方法 穿孔型 熔入型及微束等离子弧焊 1 穿孔型等离子弧焊 1 采用较大的焊接电流及等离子流 使等离子弧具有较大的能量密度及等离子流力 2 工件完全熔透并在等离子流力的作用下形成一个贯穿工件的小孔 而熔化金属被排挤在小孔周围 随着等离子弧在焊接方向移动 熔化金属沿电弧周围熔池壁向熔池后方移动并结晶成焊缝 而小孔随着等离子弧同时向前移动 3 适用于单面焊双面成形 并且也只能进行单面焊双面成形 4 焊接较薄的工件时 可不开坡口 不加垫板 不加填充金属 一次实现双面成形 小孔的产生依赖于等离子弧的能量密度 板厚越大 要求的能量密度越大 对于厚度更大的板材 穿孔型等离子弧焊只能进行第一道焊缝的焊接 穿孔型 穿孔型等离子弧焊接所适用的厚度 2 熔入型等离子弧焊接采用较小的等离子气流量 等离子流力小 电弧穿透能力低 1 只能熔化工件 形不成小孔 与TIG焊相似 2 适用于薄板 多层焊的盖面焊及角焊缝的焊接 3 微束等离子弧焊接一种小电流 通常小于30A 熔入型焊接工艺 1 设备特点 孔径压缩喷嘴 0 6mm 1 2mm 联合型电弧 非转移弧起着引弧和维弧作用 使转移弧在电流小至0 5A时仍非常稳定 2 工艺特点 可焊更薄的金属 最小可焊厚度为0 01mm 弧长在很大的范围内变化时 也不会断弧 并且电弧保持柱状 焊接速度快 焊缝窄 热影响区小 焊接变形小 2 脉冲等离子弧焊接利用15Hz以下的脉冲电流代替稳定的直流 电弧更稳定 HAZ及变形更小 3 交流等离子焊接一般采用方波电源 用来焊接铝合金 4 熔化极等离子电弧实际上使熔化极电弧与等离子弧的组合 有两种形式 1 接头及坡口形式接头形式根据板厚来选择 1 厚度在0 05mm 1 6mm之间时 通常采用下图中的接头形式 利用微束等离子弧进行焊接 五 焊接工艺参数 2 板厚小于1 6mm板材时 通常不开坡口 利用穿孔法进行焊接 3 板厚大于1 6mm板材时 需要开V形或U形坡口 进行多层焊 与TIG焊相比 可采用较小的坡口及较大钝边 钝边的最大允许值等于穿孔法的最大焊接厚度 第一层用穿孔法进行焊接 其他各层用熔入法或其他焊接方法焊接 2 焊接电流及喷嘴孔径1 焊接电流总是根据板厚或熔透要求来选定 电流过小 焊不透 形不成小孔 焊接电流过大 熔池金属会因小孔直径过大而坠落 2 喷嘴孔径根据电流来选择 两者合适匹配 而且要与离子气的流量有关 3 等离子气等离子气及保护气体通常根据被焊金属及电流大小来选择 大电流等离子弧焊接时 等离子气及保护气体通常采用相同的气体 否则电弧的稳定性将变差 小电流等离子弧焊接通常采用纯氩气作等离子气 这是因为氩气的电离电压较低 可保证电弧引燃容易 大电流等离子弧焊接各种金属时所采用的典型气体 4 焊接速度焊接速度应根据等离子气流量及焊接电流来选择 三者要合适匹配 其它条件一定时 如果焊速增大 焊接热输入减小 小孔直径随之减小 直至消失 另外还易出现咬边 气孔 如果焊速太低 母材过热 熔池金属容易坠落 因此 焊接速度 离子气流量及焊接电流等这三个工艺参数应相互匹配 5 喷嘴离工件的距离距离过大 熔透能力降低 距离过小则造成喷嘴堵塞 一般取3 8mm 与钨极氩弧焊相比 喷嘴距离变化对焊接质量的影响不太敏感 6 保护气体流量保护气体流量应根据焊接电流及等离子气流量来选择 在一定的离子气流量下 保护气体流量太大会导致气流的紊乱 影响电弧稳定性和保护效果